Laminated HZO on InAs: A study of as-deposited ferroelectricity
(2022) EITM01 20212Department of Electrical and Information Technology
- Abstract
- As the limits of transistor feature size scaling is reaching its saturation, new innovations are needed to prevent performance loss. High performance transistors on the III/V semiconductor platform implemented with ferroelectric oxides might in the future satisfy this demand. But the integration of ferroelectrics on materials such as InAs degrades the substrate and other vital components from the high processing temperatures required to achieve orthorhombic crystallinity. In this master thesis, new engineering strategies have been explored to improve the thermal budget of ferroelectric hafnium zirconium oxide (HZO) implemented on InAs. This was realized through integration of atomic layer deposition (ALD) grown oxides in primarily... (More)
- As the limits of transistor feature size scaling is reaching its saturation, new innovations are needed to prevent performance loss. High performance transistors on the III/V semiconductor platform implemented with ferroelectric oxides might in the future satisfy this demand. But the integration of ferroelectrics on materials such as InAs degrades the substrate and other vital components from the high processing temperatures required to achieve orthorhombic crystallinity. In this master thesis, new engineering strategies have been explored to improve the thermal budget of ferroelectric hafnium zirconium oxide (HZO) implemented on InAs. This was realized through integration of atomic layer deposition (ALD) grown oxides in primarily metal-oxide-semiconductor capacitor (MOSCAP) devices using conventional nano-processing techniques. The MOSCAPs were later characterized by standard current-voltage (IV) measurements and the positive-up negative-down (PUND) technique in order to determine the oxide quality, and especially any ferroelectric behaviour. Ferroelectricity was found in both MOSCAP and metal-insulator-metal capacitor (MIMCAP) structures with the highest as-deposited remanent polarization on InAs at 6.6 µC/cm2 and 12.2 µC/cm2 in the MIM stack. The highest remanent polarization among the MOSCAPs was found in a scaled sample at 6.4 nm, which outperformed samples with similar, but thicker oxides. IV-sweeps also revealed suspected ferroelectric tunnel junction (FTJ)-like behaviour in MOS devices. An annealing study was conducted to investigate if enhanced remanent polarization could be achieved by performing RTP on as-deposited samples. This yielded a remanent polarization of 14.5 µC/cm2 after post-process anneal at 450 °C for 300 s. As-deposited ferroelectric HZO offers new paths for integration of the emerging material in temperature sensitive processes, but requires further research to maximize its potential. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- En kall eftermiddag den 23 december 1947 hände något fantastiskt på ett laboratorium i New Jersey, USA. Forskare vid Bell laboratoriet demonstrerade för första gången en funktionell transistor! Transistorn är en elektrisk komponent som har tre terminaler där man kan ansluta andra komponenter. Om man leder en ström eller spänning genom ett par av terminalerna kan man kontrollera strömmen genom ett annat par av terminaler. Detta låter som vilken annan elektrisk komponent som helst och inte ens forskarna vid Bell laboratoriet kunde ha förutspått att de hade kommit med århundradets uppfinning.
Transistorn är komponenten som utför beräkningarna i nästan all modern teknik. I allt från mobiltelefonen till bilen, från torktumlaren till... (More) - En kall eftermiddag den 23 december 1947 hände något fantastiskt på ett laboratorium i New Jersey, USA. Forskare vid Bell laboratoriet demonstrerade för första gången en funktionell transistor! Transistorn är en elektrisk komponent som har tre terminaler där man kan ansluta andra komponenter. Om man leder en ström eller spänning genom ett par av terminalerna kan man kontrollera strömmen genom ett annat par av terminaler. Detta låter som vilken annan elektrisk komponent som helst och inte ens forskarna vid Bell laboratoriet kunde ha förutspått att de hade kommit med århundradets uppfinning.
Transistorn är komponenten som utför beräkningarna i nästan all modern teknik. I allt från mobiltelefonen till bilen, från torktumlaren till kaffemaskinen sitter transistorn och tuggar ettor och nollor medans du njuter av morgonens espresso. Sedan dess uppfinning har transistor tagit många vägar i sin utveckling. Arkitekturen har förändrats drastiskt och de har mer än något annat blivit mindre. I den moderna processorn som driver din dator finns hundratals miljoner transistorer, men processorn i sig är bara några få kvadratcentimeter stor!
Detta är möjlig för att i takt med att samhället har strävat efter snabbare, effektivare och mindre teknik har en enorm halvledarindustri växt fram. Halvledaren är den typ av material som möjliggör transistorn. Dessa är elektriska isolatorer (de leder inte ström) som kan göras ledande (som en metall). Både halvledarindustrin och forskare har försökt möta den stora efterfrågan på bättre transistorer genom att utveckla avancerad teknik som låter oss manipulera och bygga med material på nanoskalan, alltså mindre än en tusendel av ett hårstrå. Detta har lett till otroligt små transistorer. Men idag har vi börjat stöta på ett fundamentalt problem: vi närmar oss samma skala som enskilda atomer! Detta gör att man måste ta hänsyn till bland annat så kallade kvantfysikaliska fenomen. För att fortsätta förbättra tekniken behövs det nya strategier, som att till exempel undersöka exotiska material.
Ett sådant material undersöks i detta examensarbete: ferroelektriska kristaller. Dessa kan liknas vid ferromagneter, fast istället för att avge ett magnetisk fält som gör att de kan fästas på kylskåpet avger ferroelektriska material istället ett elektriskt fält. Detta tillstånd kan bestå utan att man lägger på en elektrisk spänning vilket gör att de kan användas extremt energisnålt, samtidigt som de har andra användbara egenskaper. De kan bland annat implementeras som supereffektiva minnen eller som synapser i artificiella hjärnor!
Ett stort problem med den mest användbara klassen av de ferroelektriska materialen är att de kräver väldigt höga temperaturer vid tillverkningen, som i sin tur förstör andra saker i processen. I detta projektet har jag undersökt strategier för att producera dessa kristaller vid mildare temperaturer. Detta har skett genom att ändra hur materialet byggs på den atomära skalan. Genom att implementera materialet i en pytteliten kondensator har jag kunnat karaktärisera hur väl detta fungerat. I framtiden kommer kanske dessa material hitta sin väg till din ficka i form av effektivare transistorer. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9073670
- author
- Andersen, André LU
- supervisor
- organization
- course
- EITM01 20212
- year
- 2022
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- Ferroelectricity, HZO, InAs, III/V, As-deposited ferroelectricity, BEOL, Nanoelectronics, Nanoprocessing, Nanotechnology, ALD, MOSCAP, Memory Technology
- report number
- LU/LTH-EIT 2022-858
- language
- English
- id
- 9073670
- date added to LUP
- 2022-02-10 12:16:30
- date last changed
- 2022-08-31 03:41:00
@misc{9073670,
abstract = {{As the limits of transistor feature size scaling is reaching its saturation, new innovations are needed to prevent performance loss. High performance transistors on the III/V semiconductor platform implemented with ferroelectric oxides might in the future satisfy this demand. But the integration of ferroelectrics on materials such as InAs degrades the substrate and other vital components from the high processing temperatures required to achieve orthorhombic crystallinity. In this master thesis, new engineering strategies have been explored to improve the thermal budget of ferroelectric hafnium zirconium oxide (HZO) implemented on InAs. This was realized through integration of atomic layer deposition (ALD) grown oxides in primarily metal-oxide-semiconductor capacitor (MOSCAP) devices using conventional nano-processing techniques. The MOSCAPs were later characterized by standard current-voltage (IV) measurements and the positive-up negative-down (PUND) technique in order to determine the oxide quality, and especially any ferroelectric behaviour. Ferroelectricity was found in both MOSCAP and metal-insulator-metal capacitor (MIMCAP) structures with the highest as-deposited remanent polarization on InAs at 6.6 µC/cm2 and 12.2 µC/cm2 in the MIM stack. The highest remanent polarization among the MOSCAPs was found in a scaled sample at 6.4 nm, which outperformed samples with similar, but thicker oxides. IV-sweeps also revealed suspected ferroelectric tunnel junction (FTJ)-like behaviour in MOS devices. An annealing study was conducted to investigate if enhanced remanent polarization could be achieved by performing RTP on as-deposited samples. This yielded a remanent polarization of 14.5 µC/cm2 after post-process anneal at 450 °C for 300 s. As-deposited ferroelectric HZO offers new paths for integration of the emerging material in temperature sensitive processes, but requires further research to maximize its potential.}},
author = {{Andersen, André}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Laminated HZO on InAs: A study of as-deposited ferroelectricity}},
year = {{2022}},
}